陶瓷窑炉节能减排的探讨

摘要:本文从窑炉烧成的角度,对陶瓷生产的节能减排进行了探讨,从窑炉结构、生产调试与生产工艺等方面提出了窑炉节能的具体措施,并对窑炉余热的综合利用提出了建议。

关键词:窑炉;陶瓷烧成;节能

1引 言

节能减排是一个不老的话题,尤其是对于“高能耗、高资源消耗、高污染”的陶瓷行业,更是迫在眉睫。在陶瓷生产中,烧成能耗约占生产总能耗的30%,窑炉是否节能,它不单是一条窑炉是否先进的标志,也与企业的经济效益直接相关。下面根据科达公司多年设计制作窑炉的经验,从各方面总结窑炉的节能途径。

2陶瓷烧成的节能减排途径

2.1燃烧系统方面

2.1.1合理选用燃料。

目前,先进的辊道窑一般都选用气体燃料,因为气体燃料燃烧完全,热利用率高,有利于自动控制温度。用煤作燃料虽然成本低一些,但无论是在热能利用率,还是在产品质量和环保方面均不如气体燃料。目前,我国的陶瓷窑炉已很少用煤作燃料,即使是天然气、液化石油气供给不方便的地理位置,也是将煤转化成煤气使用。液体燃料也很少使用,因为液体燃料需充分雾化才能燃烧完全,这不仅增加了雾化设备的成本,且燃料的利用率也不高。

2.1.2合理选择燃烧设备

窑炉中的烧嘴是燃料燃烧的关键设备,也是决定辊道窑横断面温度是否均匀的重要设备,烧嘴结构不好会造成火焰不稳定,产品易出现变形和色差。一个好的烧嘴能在助燃空气过剩系数较低的情况下,使燃料燃烧充分,火焰稳定、易于调节,达到节能之目的。

国内的一些烧嘴供应商由于缺乏对烧嘴的理论基础研究,主要靠在实践中摸索总结经验,从而得出一些数据,因此有一定的局限性。当条件发生变化时,往往易因缺乏调试经验而出现技术问题,如烧嘴出现热功率不合适、燃气喷孔和助燃风喷孔的面积比相差大等问题。科达公司在每次订购烧嘴时,都要进行详细的计算,对助燃风和燃气开孔的具体尺寸和数量提出要求,以确保烧嘴运行良好。

2.1.3合理调整空气过剩系数

每一种燃料,在保证充分燃烧时,其所需的助燃空气量不同。在窑炉调试时,应将过剩空气量控制在最小,否则,超过一定范围,就会增大燃料的耗用量。

2.1.4提高助燃风的温度

将助燃风预热有助于节能,据测算,助燃风预热到100℃时,可节能4%,另外也能使燃烧速度加快、稳定燃烧过程、提高燃烧效率。助燃风的预热可尝试以下几方面的措施:

(1) 将助燃风管埋在窑炉四角,通过吸收窑墙所散的热来提高助燃风的温度,大约可达到60℃;

(2) 将冷却带的余热风作为助燃风用,温度可达200℃;

(3) 在窑炉的急冷带设热交换器,将助燃风管通过热交换器,换取一部分热以提高温度,温度可达120℃。

以上三种措施中,利用第1种方法所得的助燃风的温度较稳定,但温度较低,节能不明显;第2种方法所得助燃风的温度高,节能明显,但需增加稳定措施;第3种方法会影响砖的正常冷却,还有可能引起缓冷区的炸砖。

2.1.5降低产品的出窑温度

降低产品的出窑温度是节能减排的一种新理念,它有两个好处:一是优化工人的操作环境,这也是提高工作效率的重要保障;二是它可以将尽量多的热量交换出来再利用。当然,要降低产品的出窑温度,需要一定的设备投入,要缩短缓冷区长度,加长尾冷区的长度,这样才能加强缓冷区的冷却效果,从而降低产品的出窑温度。科达窑炉采取这个措施之后,产品的出窑温度比一般窑炉可降低50℃左右。

2.2合理设计窑炉结构

2.2.1合理选择耐火保温材料

判断窑炉是否节能的另一个标志是窑炉外表温度,在窑压一定的前提下,窑炉外表温度低,说明窑炉散热少。窑炉外表温度与窑墙厚度和耐火保温材料的导热系数有关,窑炉窑墙厚度大,外表温度可降低,但也不是窑墙越厚越好,因为窑墙厚了,辊棒的长度也要随之增加,这会增加客户的后期运行成本;同时辊棒长了,两侧的支点距离大了,砖坯的传输容易混乱,易使砖坯在烧成区产生变形。

在保证使用温度的前提下,应尽量选择导热系数低的耐火材料,要根据窑墙从里到外的温度梯度来合理配置耐火保温材料,这样既能减小窑墙厚度,又能保证窑墙的保温性能。目前,国外先进窑炉的窑墙厚度一般为380mm左右,而国内的窑炉要达到同样的保温性能,有的窑墙需达到500mm厚,这显示出我国在窑炉设计方面与国外还有一定的差距。表1是辊道窑常用的耐火保温材料的导热系数,供设计者参考。

在重视窑墙保温性能的同时,也不能忽视了窑底和窑顶的散热。有的窑炉公司没有重视窑底的保温,把窑底设计得很薄,选择的保温材料比重又大,从而造成大量的热量从窑底散掉。如果按不同的工作温度选择一些低导热系数的材料,如在低温区使用体积密度为0.6g/cm3的硅藻土砖等砌筑窑底,则可大大提高窑炉的保温性能。

2.2.2 事故处理孔的设计

事故处理孔的底面一般选择的过桥砖为重质高铝砖,但其它三面材料的选择就有讲究了,如果都选大块的重质砖,势必会导致散热严重。一般观点认为,既然是作为处理事故孔,应该越结实越好,但材料的比重越大,其热耗也要相应增加,这是一对矛盾。由于现在的窑炉很少出现堵窑现象,事故处理孔使用的几率非常小,因此在设计上还是应重点考虑其保温性能。

2.2.3 观察孔的设计

有的窑炉公司将观察孔做成体积密度较大的一个整体砖,窑墙有多厚,它就有多长,这样势必导致其散热严重。科达公司设计的观察孔,是在砌好的窑墙上直接打孔,整体性好、散热小。

另外,观察孔的大小对窑炉的保温也很重要,有的公司将观察孔设计成很大,出现散热大的不良效果。另外,因为烧成带是微正压运行,如果操作工使用观察孔后忘记了放塞子或塞子坏了没及时更换,则会有大量热气跑出窑外。

2.2.4 烧嘴砖的设计和选择

图1和图2是碳化硅烧嘴砖和重质高铝烧嘴砖的结构示意图,相对于高铝烧嘴砖,碳化硅烧嘴砖具有以下优点:

(1)重量轻、热容量小。每个碳化硅烧嘴砖重1.75kg,仅相当于高铝砖材质的十七分之一,由于耐火材料的热容量与重量成正比,所以它的热容量远远低于高铝砖,保温性能优势明显。

(2) 窑墙整体性好,窑墙保温好。因为碳化硅烧嘴砖的安装孔是用建筑用钻头直接在砌好的整体墙上打圆孔,所以砌筑时不用预留方孔和过桥砖,整体性很强,因此窑墙保温性也好。

另外,碳化硅烧嘴砖由于安装烧嘴砖的孔是圆孔,无需使用过桥砖,可减少因过桥砖断裂而产生的维修量。而且碳化硅烧嘴砖更换容易、使用寿命长,并能快速调节窑炉温差,提高产品质量。因此,无论是从节能减排还是生产工艺的角度考虑,都应优选碳化硅烧嘴砖。

2.2.5 合理设计窑炉内空高度

内空太大会造成烟气积聚于窑顶层空间内,不仅会造成上下温差加大,还会使烟气与产品热交换量变小、热效率降低,从而使能耗加大。

2.2.6窑炉长度的选择

由于市场容量的持续增长,陶瓷企业单条窑的日产量越来越大,因而窑炉的长度也越来越长。2000年前后,单窑日产600mm×600mm抛光砖5000m²,窑长为130m左右;2006年前后,要求日产10000m²以上,窑长220m左右;而目前则要求日产15000～18000m²,窑长在320m左右;有的窑炉甚至达到了400m长,窑炉日产量达到25000m²。

窑炉真的越长越好吗?答案是否定的。无论多长的窑炉,排烟风机都设置在窑头,窑炉在烧成带是微正压运行,为了保证烧成带的微正压,越长的窑炉,其窑头负压就越大(见图3),预热带吸进冷风就越多,因此会造成预热区升温困难,从而使所耗燃料增多。

2.2.7合理施工

窑炉的砌筑施工同样非常重要,即使是选用最好的材料,如果没有一个好的施工队伍,不能规范施工,窑炉的保温效果也会大打折扣。

2.3 工艺配方方面

2.3.1开发低温快烧工艺

节能不仅要在窑炉上挖潜力,制定合理的烧成制度同样至关重要,采用低温快烧工艺就是很重要的一环。目前,600mm×600mm抛光砖的烧成周期已缩短至40min,它的能耗远远低于以前55min烧成周期的能耗。

2.3.2 减小瓷砖的厚度

传统观念认为,600mm×600mm抛光砖的正常厚度是10mm,但如果能降到 8mm,就可以减少20%的用料,还可以缩短烧成时间10min左右,节能15%以上。

科达公司在蒙娜丽莎陶瓷有限公司承建的800mm×1800mm陶瓷大薄板生产线,成品砖的厚度仅约5mm,可节约原料50%以上,具有广阔的节能推广前景。

2.4 开发宽体窑炉

利用宽体窑增加产量,是节能的又一个途径。几年来对于开发宽体窑,尤其是烧抛光砖的宽体窑,企业欲进又止。有些陶瓷企业在使用宽体窑烧制抛光砖上遇到了不少难题,由于宽体窑是较为新型的烧成设备,有些技术尚不够成熟,因此,面对生产上出现的难题没有切实可行的解决措施。

宽体窑主要有两大技术难点:一是宽体窑横断面温差大,二是辊棒走砖容易出现问题。几年来,科达在这方面做了大量研究,对解决这两大难题都有了应对措施。

科达公司于2009年5月份在山东临沂承建的一条内墙砖生产线,素烧窑内宽3.1m,釉烧窑内宽2.9m,烧成周期30min,燃料为发生炉煤气,日产量25000m²,投产一个多月,产量已达到28000m²,并且窑炉断面温差小,产品质量很好,表2是该窑炉断面温差的测试数据。

3窑炉余热的综合利用方案

近年来,由于能源价格不断上涨,国内陶瓷企业迫于成本的压力,不断寻求节约能源的新途径,国家政策也不断鼓励节能产品的开发。窑炉的热效率总体来说还是相当低的,据测算,窑炉总热能的60%以烟气和热风的形式排入大气,这些烟气和热风不仅带走了热能,也污染了空气,如果能将这60%的热能回收其中的60%,也就是回收窑炉总能耗的36%的热能,其量是相当可观的。

例如一条日产1.3万m²抛光砖的辊道窑,日耗标煤40t,按36%的热能回收计算,一天就可以回收近15t标煤的热能,也即一天节约1.5万元。目前,陶瓷行业有各种余热综合利用的节能设备投入使用,取得了一定的效果,但仍存在以下问题:

(1) 在急冷带取热,容易炸砖。某国外的大型陶瓷设备供应商对余热利用提出了几种方案,但几种方案都有一个共同点,就是在急冷带设换热器,将余热或室内自然风在此加热后供助燃风。我们知道,在急冷带取走了热能,造成急冷风量自动减少,这样势必造成缓冷区温度下降,当缓冷区达不到要求温度时,砖坯就会在此区炸裂。另外,进入换热器的风的温度是不稳定的,温度越低,在急冷带取走的热越多,急冷风量越少,缓冷区温度就越低,越容易炸砖,尤其是在烧制瓷质砖时,此问题更为突出。

(2) 加热后的助燃风的温度和量不能保持恒定,使窑炉运行不稳定,造成产品质量不稳定。由于窑炉疏砖等原因,余热风的温度是不稳定的,造成助燃风的温度和量都是变化的,虽然有自控阀控制窑温,但是也会造成窑内气氛的变化和零压点的飘移,而这些都会影响产品质量。

(3) 将窑炉余热送至干燥塔,而干燥塔并不是24小时工作制,当干燥塔停止工作时,余热排空,系统发生变化,窑炉压力也会随之发生变化。

因此,目前国内烟气直供干燥器的余热利用方法有待进一步改进。在利用余热的同时,一定要保证窑炉的稳定运行,如果因为余热的利用而影响了窑炉的稳定和产品质量,就会得不偿失。科达公司根据多年的经验,在尽可能消除目前行业内余热利用弊病的前提下,研究出以下两种余热利用方法:

3.1 瓷质砖产品余热的利用方法

瓷质砖砖坯质地致密,水分较难排除,所用热风量较大,窑炉余热除一部分用作助燃风外,其余全部送往干燥器,基本没有余量。

目前这种产品的干燥一般采用双层干燥器,优点是供热较集中、热效率高。缺点是烟气较脏,对钢架腐蚀厉害,同时干燥器一般为大正压操作,大量烟气外溢,恶化工人的操作环境。解决的方法是加一个换热器,让烟气通过热交换器,保证用干净的热风供给双层干燥器。干燥器排出的废气温度大约在130℃左右,可再送往干燥塔,做配风用。热交换器出来的废气温度较低且脏,可经净化处理后排空。

为了充分利用尾冷的余热,我们可将尾冷区分为两段,前段温度大约100℃,这部分热风也可以利用起来,将其混入缓冷区的余热部分,供干燥塔用;尾冷后段温度较低,没有利用价值,可经净化处理后直接排空。

以上方案的关键点之一是热交换器的效率一定要高,我们使用的热交换器的效率可达85%,当烟气的温度为350℃时,经过热交换器后,干净的热风温度可达230℃,完全可供干燥器正常工作。另一个关键点是窑炉疏砖时,如何保证助燃风的量在标准状态下保持恒定,科达在这方面作了详细研究,并设计了一套行之有效的方法。

3.2 两次烧内墙砖产品余热的利用方法

由于两次烧内墙砖的生产需两条窑炉,干燥器用热量又较小,所以余热的量较大,除本身干燥器和助燃风使用一部分外,其余可送往干燥塔。

素烧窑和釉烧窑的缓冷、抽热的余热可分三路,即供助燃风、窑前干燥两路,剩余供干燥塔。两条窑的烟气可直接做干燥塔的二次风用,也可经脱硫和除尘后供干燥塔,但这样会降低热风温度,最好直接供干燥塔用,从塔排出后的废气再进行脱硫除尘。

该系统的特点为:

(1) 余热利用彻底,最大限度地利用了余热。

(2) 不在急冷处取热,不易炸砖。

(3) 加热后的助燃风温度和风量保持恒定,窑压稳定。

(4) 烟气可经高效率的热交换器,用洁净的热风供给干燥器,既能使干燥器钢架不受腐蚀,又能优化工人的操作环境。

(5) 窑压自控,干燥塔的开停均不影响窑炉的正常运行,保证了产品质量稳定。

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